CN108599888A - 一种分布式网络时钟同步*** - Google Patents

一种分布式网络时钟同步*** Download PDF

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CN108599888A
CN108599888A CN201810439743.7A CN201810439743A CN108599888A CN 108599888 A CN108599888 A CN 108599888A CN 201810439743 A CN201810439743 A CN 201810439743A CN 108599888 A CN108599888 A CN 108599888A
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delay
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王昌明
吕高登
李彦鑫
郑昊
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Abstract

本发明涉及一种分布式网络时钟同步***，包括：时钟源，用于发送时钟同步信息；至少一级从设备，逐级连接至所述时钟源，用于逐级接收所述时钟同步信息并完成时钟同步；其中，所述时钟源以及所述至少一级从设备均为分布式网络时钟同步***中的节点。本发明实施例通过测量链路延时并通过链路延时计算时间差，然后实现时钟同步，使得分布式网络时钟同步***的时钟同步精度到达纳秒级别，并且使该***具有较强的稳定性，即当分布式网络中的设备出现异常时，该分布式网络能够在很短时间内自适应调整网络结构，重新选择合适的主时钟并完成时钟同步。

Description

一种分布式网络时钟同步***
技术领域
本发明属于电子与通信领域，具体涉及一种分布式网络时钟同步***。
背景技术
随着信息技术的发展，分布式网络***的应用也越来越多元化，依托于分布式网络***的应用设备也丰富多样，分布式网络***的时钟同步能够使该***中的各个网络节点完成精准对时，以提供给该***中各节点所在的控制设备应用，随着设备的改进，时钟同步的精度要求也愈来愈高。
目前，分布式网络***大多采用IEEE1588(网络测量和控制***的精密时钟同步协议标准)协议完成***的时钟同步，即通过硬件和软件将网络设备(客户机)的内时钟与主控机的主时钟实现同步。采用IEEE1588协议完成分布式网络***中各终端节点的设备的时钟同步，其精度可以达到ms级。
然而，采用IEEE1588协议完成***的时钟同步，其时间信号通过该***信道传送到终端节点需要延时，而且不同终端节点所需要的延时也不同，所以，采用这种授时方式只能满足中等精度时间用户的要求，即只能满足ms级别的时间同步精度需求，一些对时间同步精度要求十分严格的分布式网络***，就不能达到所需要的时钟同步精度。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种分布式网络时钟同步***。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种分布式网络时钟同步***，包括：
时钟源，用于发送时钟同步信息；
至少一级从设备，逐级连接至所述时钟源，用于逐级接收所述时钟同步信息并完成时钟同步；其中，
所述时钟源以及所述至少一级从设备均为分布式网络时钟同步***中的节点。
在本发明的一个实施例中，所述从设备包括：接口模块、链路延时模块、时间差模块以及同步模块；其中，所述链路延时模块连接至所述接口模块，所述时间差模块连接至所述链路延时模块以及所示接口模块，所述同步模块连接至所述时间差模块以及所述接口模块。
在本发明的一个实施例中，所述从设备通过所述接口模块连接所述时钟源或所述从设备。
在本发明的一个实施例中，所述链路延时模块用于测量本级节点至上一级节点的链路延时，所述时间差模块用于根据所述链路延时计算所述本级节点至所述上一级节点的时间差，所述同步模块用于接收所述时间差和所述时钟同步信息完成所述本级节点的同步。
在本发明的一个实施例中，所述链路延时模块具体用于：
通过本级节点向上一级节点发送延迟请求报文，并记录第一时间戳，其中，所述第一时间戳为所述延迟请求报文发送时间点；
通过所述上一级节点接收所述延迟请求报文，并记录第二时间戳，其中，所述第二时间戳为所述延迟请求报文接收时间点；
所述上一级节点向所述本级节点发送延迟响应报文，并记录发送时间的第三间戳，其中，所述延迟响应报文包含所述第二时间戳；
所述本级节点接收所述延迟响应报文，获取所述第二时间戳，并记录接收时间的第四时间戳；
所述上一级节点向所述本级节点发送延迟响应跟随报文，其中所述延迟响应跟随报文包含有所述第三时间戳；
所述本级节点接收所述延迟响应跟随报文，获取所述第三时间戳；
通过公式计算所述上一级节点到所述本级节点的链路延时。
在本发明的一个实施例中，所述链路延时满足：
其中，link_delay为所述上一级节点从设备到所述本级节点从设备的链路延时，t1为所述第一时间戳，t2为所述第二时间戳，t3为所述第三时间戳，t4为所述第四时间戳。
在本发明的一个实施例中，所述时间差模块具体用于：
通过所述上一级节点向所述本级节点发送同步报文，并记录第五时间戳；其中，所述第五时间戳为所述同步报文的发送时间点；
通过所述上一级节点向所述本级节点发送跟随报文，其中所述跟随报文包含所述第五时间戳；
通过所述本级节点接收所述同步报文，并记录第六时间戳；其中，所述第六时间戳为所述同步报文接收时间点；
通过所述本级节点接收所述跟随报文；
根据所述第五时间戳和所述第六时间戳计算所述上一级节点到所述本级节点的时间差。
在本发明的一个实施例中，所述时间差满足：
D＝link_delay+t6-t5
其中，link_delay为所述上一级节点到所述本级节点的链路延时，D为所述上一级节点到所述本级节点的时间差，t5为第五时间戳，t6为第六时间戳。
在本发明的一个实施例中，所述分布式网络时钟同步***的时钟同步为周期性运行。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1)本发明提供的时钟同步***提供了更为可靠的时间同步方案，使得该***时间同步精度达到纳秒级别，可以满足一些对时钟同步要求十分严格的分布式网络的需求；
2)本发明提供的时钟同步***使分布式网络具有较强的鲁棒性，当网络中的时钟源或其他节点设备出现异常时，该***能够在很短时间内自适应调整网络结构，重新选择合适的时钟源并完成时钟同步任务。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种分布式网络时钟同步***的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种分布式网络时钟同步***从设备的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种分布式网络时钟同步***的延时测量原理示意图；
图4为本发明实施例提供的一种分布式网络时钟同步***的时间差原理示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1和图2，图1为本发明实施例提供的一种分布式网络时钟同步***的结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种分布式网络时钟同步***从设备的结构示意图。一种分布式网络时钟同步***，包括：
时钟源，用于发送时钟同步信息；
至少一级从设备，逐级连接至所述时钟源，用于逐级接收所述时钟同步信息并完成时钟同步；其中，
所述时钟源以及所述至少一级从设备均为分布式网络时钟同步***中的节点。
优选地，所述从设备包括：接口模块、链路延时模块、时间差模块以及同步模块；其中，所述链路延时模块连接至所述接口模块，所述时间差模块连接至所述链路延时模块以及所示接口模块，所述同步模块连接至所述时间差模块以及所述接口模块。
优选地，所述从设备通过所述接口模块连接所述时钟源或所述从设备。
优选地，所述链路延时模块用于测量本级节点至上一级节点的链路延时，所述时间差模块用于根据所述链路延时计算所述本级节点至所述上一级节点的时间差，所述同步模块用于接收所述时间差和所述时钟同步信息完成所述本级节点的同步。
优选地，所述链路延时模块具体用于：
通过本级节点向上一级节点发送延迟请求报文，并记录第一时间戳，其中，所述第一时间戳为所述延迟请求报文发送时间点；
通过所述上一级节点接收所述延迟请求报文，并记录第二时间戳，其中，所述第二时间戳为所述延迟请求报文接收时间点；
所述上一级节点向所述本级节点发送延迟响应报文，并记录发送时间的第三间戳，其中，所述延迟响应报文包含所述第二时间戳；
所述本级节点接收所述延迟响应报文，获取所述第二时间戳，并记录接收时间的第四时间戳；
所述上一级节点向所述本级节点发送延迟响应跟随报文，其中所述延迟响应跟随报文包含有所述第三时间戳；
所述本级节点接收所述延迟响应跟随报文，获取所述第三时间戳；
通过公式计算所述上一级节点到所述本级节点的链路延时。
优选地，所述链路延时满足：
其中，link_delay为所述上一级节点从设备到所述本级节点从设备的链路延时，t1为所述第一时间戳，t2为所述第二时间戳，t3为所述第三时间戳，t4为所述第四时间戳。
优选地，所述时间差模块具体用于：
通过所述上一级节点向所述本级节点发送同步报文，并记录第五时间戳；其中，所述第五时间戳为所述同步报文的发送时间点；
通过所述上一级节点向所述本级节点发送跟随报文，其中所述跟随报文包含所述第五时间戳；
通过所述本级节点接收所述同步报文，并记录第六时间戳；其中，所述第六时间戳为所述同步报文接收时间点；
通过所述本级节点接收所述跟随报文；
根据所述第五时间戳和所述第六时间戳计算所述上一级节点到所述本级节点的时间差。
优选地，所述时间差满足：
D＝link_delay+t6-t5其中，link_delay为所述上一级节点到所述本级节点的链路延时，D为所述上一级节点到所述本级节点的时间差，t5为第五时间戳，t6为第六时间戳。
优选地，所述分布式网络时钟同步***的时钟同步为周期性运行。
在本实施例中，通过时钟算法算法确定超主时钟，并测量链路延时，和时间差，并在时钟同步的基础上通过链路延时和时间差来精准校正该节点的同步时钟，使的该***的时钟同步精度更高。
实施例二
请继续参见图1和图2，图1为本发明实施例提供的一种分布式网络时钟同步***的结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种分布式网络时钟同步***从设备的结构示意图。本实施例在上述实施例的基础上，进一步对该时钟同步***进行详细描述。分布式网络是由分布在不同地点且具有多个终端的节点互连而成的，具有较高的可靠性，同时，网络易于扩充。一种分布式网络时钟同步***，如图1所示，N为大于等于1的自然数，该分布式网络时钟同步***包括时钟源和至少一级从设备，其中，时钟源用于发送时钟同步信息；分布式网络中的从设备逐级连接至所述时钟源，用于逐级接收所述时钟同步信息并完成时钟同步，且所述时钟源以及所述至少一级从设备均为分布式网络时钟同步***中的节点。
优选地，如图2所示，该***的从设备包括了接口模块、链路延时模块、时间差模块以及同步模块；其中，所述链路延时模块连接至所述接口模块，所述时间差模块连接至所述链路延时模块，所述同步模块连接至所述时间差模块以及所述接口模块。
优选地，在该***中，时钟源与从设备之间通过接口模块连接，从设备与从设备之间也通过接口模块连接；该***在时钟同步过程中，从设备与时钟源之间以及从设备与从设备之间通过接口模块收发相关报文，且接口模块所在从设备所接收的报文，通过接口模块发送给该从设备内各模块，同时，各模块通过接口模块发送报文。
优选地，链路延时模块用于测量本级节点至上一级节点的链路延时，时间差模块用于根据链路延时计算本级节点至上一级节点的时间差，同步模块用于接收时间差和时钟同步信息完成本级节点的时钟同步。
优选地，在该***时钟同步过程中，链路延时模块具体用于：通过本级节点向上一级节点发送延迟请求报文，并记录第一时间戳，其中，第一时间戳为延迟请求报文发送时间点；通过上一级节点接收延迟请求报文，并记录第二时间戳，其中，第二时间戳为延迟请求报文接收时间点；上一级节点向本级节点发送延迟响应报文，并记录发送时间的第三间戳，其中，延迟响应报文包含第二时间戳；本级节点接收延迟响应报文，获取第二时间戳，并记录接收时间的第四时间戳；上一级节点向本级节点发送延迟响应跟随报文，其中延迟响应跟随报文包含有第三时间戳；本级节点接收延迟响应跟随报文，获取第三时间戳；通过公式计算上一级节点到本级节点的链路延时，计算公式为：
其中，link_delay为所述上一级节点从设备到所述本级节点从设备的链路延时，t1为所述第一时间戳，t2为所述第二时间戳，t3为所述第三时间戳，t4为所述第四时间戳。
优选地，所述时间差模块具体用于：通过所述上一级节点向所述本级节点发送同步报文，并记录第五时间戳；其中，所述第五时间戳为所述同步报文的发送时间点；通过所述上一级节点向所述本级节点发送跟随报文，其中所述跟随报文包含所述第五时间戳；通过所述本级节点接收所述同步报文，并记录第六时间戳；其中，所述第六时间戳为所述同步报文接收时间点；通过所述本级节点接收所述跟随报文；根据所述第五时间戳和所述第六时间戳计算所述上一级节点到所述本级节点的时间差。时间差的计算公式为：
D＝link_delay+t6-t5，其中，link_delay为所述上一级节点到所述本级节点的链路延时，D为所述上一级节点到所述本级节点的时间差，t5为第五时间戳，t6为第六时间戳。
优选地，该分布式网络时钟同步***的时钟选择算法为周期性计算，即每隔一个固定时间进行运算时钟选择算法，并根据时钟选择算法选取时钟源和从设备，并确定时钟同步路径，同时，该***的时钟同步也为周期性运行，即每隔一个固定时间该系会进行一次时钟同步，确保该***的时钟精度保持较高状态。
本发明实施例通过测量链路延时并根据链路延时计算时间差，然后实现时钟同步，使得分布式网络时钟同步***的时钟同步精度到达纳秒级别，并且使该***具有较强的稳定性，即当分布式网络中的设备出现异常时，该分布式网络能够在很短时间内自适应调整网络结构，重新选择合适的主时钟并完成时钟同步。
实施例三
请继续参见图3和图4，图3为本发明实施例提供的一种分布式网络时钟同步***的延时测量原理示意图；图4为本发明实施例提供的一种分布式网络时钟同步***的时间差原理示意图。本实施例在上述实施例的基础上对该时间感知模块及其时间同步***进行了详细的描述。
分布式网络是由分布在不同地点且具有多个终端的节点机互连而成的。网中任一点均至少与两条线路相连，当任意一条线路发生故障时，通信可转经其他链路完成，具有较高的可靠性，同时，网络易于扩充。
优选地，分布式网络中的全部节点构成了一个时钟同步***，域中的所有节点分别包括时钟源，桥和端站，其中，时钟源的数量为一个，端站的数量为至少一个，桥的数量为至少一个。分布式网络中的每一个节点为一个时间感知模块，即时钟源、桥和端站都为时间感知模块。
优选地，时间感知模块包括：同步站点单元(Site sync)、第一端口(port sync1)、第二端口(port sync 2)、数据中转单元(Md)、主时钟单元(Clock Master)和从时钟单元(Clock Slave)，其中，同步站点单元是根据时钟选择算法选取的结果，来确定该时间感知模块为主时钟或从时钟，来确定数据流向，并调用相关的功能单元；第一端口，用于将所述同步站点单元发送的时间信息填充报文，并发出所述报文；第二端口，是用于接收数据中转单元发送的报文并解析报文，并将报文包含的时间信息发送给所述同步站点单元；数据中转单元，是与外部其他时间感知模块连接，获取报文和报文中的时间戳信息，并完成报文的转发；主时钟单元，跟时钟源连接，当该时间感知模块为主时钟时，用于提供标准时间信息，并将所述标准时间信息发送给所述同步站点单元；从时钟单元，接收和发送时间信息给所述同步站点单元，并通过时间信息计算链路延时，根据所述链路延时计算与上一级时间感知模块的时间差，并通过所述时间差校正本地时钟。
优选地，时钟选择算法是通过该时间感知模块所在的分布式网络的各节点之间发送Announce报文，其中，各节点接收并处理其他节点的报文信息，并通过Announce报文进行交互，比较各时钟信息，并选出主时钟，和分布式网络的时钟同步路径，其中，主时钟所在节点为主节点，与主节点相连的节点为从节点，并确定主节点与分布式网络中其他节点的同步路径。
优选地，当该时间感知模块通过时钟选择算法选择为主时钟时，则该时间感知模块所在节点为主节点，与其相连接的其他节点为从节点，同步站点单元根据时钟选择算法调用主时钟单元，第一端口和数据中转单元，其中，主时钟单元与时钟源相连，提供标时间信息，主时钟单元将时间信息发送至同步站点单元，同步站点单元将时间信息发送至第一端口，第一端口对时间信息进行报文填充后获得第一报文信息，并将第一报文信息发送至数据中转单元。
优选地，当该时间感知模块为从时钟时，则该时间感知模块所在节点为从节点，同步站点单元根据时钟选择算法调用数据中转单元、第二端口和从时钟单元，其中，数据中转单元通过第二报文信息发送至第二端口，第二端口解析第二报文信息获得时间信息，并将时间信息发送给同步站点单元，同步站点单元将时间信息发送至从时钟单元，从时钟单元计算出获得的时间信息与本地时钟的时间差，并校正本地时钟。当该从节点还存在下一级节点时，同步站点单元还调用第一端口，通过同步站点将校正后的时间信息发送至第一端口，并通过第一端口将校正后的时间信息进行报文填充获得第一报文信息，然后发送给数据中转单元，并通过数据中转单元发送给下一级节点。
优选地，当两个存在时钟同步主从关系的相连的时间感知模块要完成时钟同步时，首相需要测量链路延时，如图3所示，测量链路延时包括：
通过分布式网络节点向上游相连节点发送延迟请求报文，并记录第一时间戳，其中，第一时间戳为延迟请求报文发送时间点；通过上游相连时钟节点接收延迟请求报文，并记录第二时间戳，其中，第二时间戳为延迟请求报文接收时间点；上游相连时钟节点向本节点发送延迟响应报文，并记录发送时间的第三间戳，其中，延迟响应报文包含第二时间戳；本节点接收延迟响应报文，获取第二时间戳，并记录接收时间的第四时间戳；上游相连时钟节点向本节点发送延迟响应跟随报文，其中延迟响应跟随报文包含有第三时间戳；本节点接收延迟响应跟随报文，获取第三时间戳；最后，通过公式计算链路延时，计算链路延时的公式为：
其中，link_delay为链路延时，t1为第一时间戳，t2为第二时间戳，t3为第三时间戳，t4为第四时间戳。
优选地，如图4所示，测量时间差包括：通过上游相连节点向本节点发送同步报文，并记录第五时间戳；其中，第五时间戳为同步报文的发送时间点；通过上游相连节点向本节点发送跟随报文，其中跟随报文包含第五时间戳；通过本节点接收同步报文，并记录第六时间戳；其中，第六时间戳为同步报文接收时间点；通过本节点接收跟随报文；根据第五时间戳和第六时间戳计算上游相连节点与本节点的时间差，计算时间差的公式为：
D＝link_delay+t6-t5
其中，link_delay为链路延时，D为时间差，t5为第五时间戳，t6为第六时间戳。
优选地，本节点完成时钟同步后，同理，向与相连的下一级设备依次完成测量链路延时和时间差，完成时间同步，其中链路延时为本节点到其所连接的下一级设备的链路延时，并与本节点时钟同步。以此类推，直到完成分布式网络的时钟同步。
优选地，delay_Req报文、delay_Resp报文、Sync报文为事件报文；Pdelay_Resp_Follow_Up报文、Follow_Up报文为通用报文，其中，事件报文需要在发送和接收的时候记录精确的时间戳，通用报文不用记录时间戳。
优选地，从时钟在计算出与主时钟的时间差后，通过时钟源接口函数，调用时钟调节函数，修正与主时钟之间的时间差，从而完成与主时钟的时钟同步。
优选地，时钟选择算法为周期性运行，分布是网络时钟同步也为周期性运行，其中，时钟选择算法和时钟同步的时间周期通过Signaling报文(信令报文)获取，Signaling报文通过设备的Signal配置接口设置。
在本实施例中，通过测量相连设备之间的链路延时进一步计算时间差，并通过时间差校正同步时钟，逐级完成分布式网络的时钟同步，采用该方式可以使分布式网络达到纳秒级别的时钟同步精度，而且该分布式网络时钟同步的稳定性较强，能更满足更多设备的需求。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种分布式网络时钟同步***，其特征在于，包括：
时钟源，用于发送时钟同步信息；
至少一级从设备，逐级连接至所述时钟源，用于逐级接收所述时钟同步信息并完成时钟同步；其中，
所述时钟源以及所述至少一级从设备均为分布式网络时钟同步***中的节点。
2.根据权利要求1所述的时钟同步***，其特征在于，所述从设备包括：接口模块、链路延时模块、时间差模块以及同步模块；其中，所述链路延时模块连接至所述接口模块，所述时间差模块连接至所述链路延时模块以及所示接口模块，所述同步模块连接至所述时间差模块以及所述接口模块。
3.根据权利要求2所述的时钟同步***，其特征在于，所述从设备通过所述接口模块连接所述时钟源或所述从设备。
4.根据权利要求2所述的时钟同步***，其特征在于，所述链路延时模块用于测量本级节点至上一级节点的链路延时，所述时间差模块用于根据所述链路延时计算所述本级节点至所述上一级节点的时间差，所述同步模块用于接收所述时间差和所述时钟同步信息完成所述本级节点的同步。
5.根据权利要求4所述的时钟同步***，其特征在于，所述链路延时模块具体用于：
通过本级节点向上一级节点发送延迟请求报文，并记录第一时间戳，其中，所述第一时间戳为所述延迟请求报文发送时间点；
通过所述上一级节点接收所述延迟请求报文，并记录第二时间戳，其中，所述第二时间戳为所述延迟请求报文接收时间点；
所述上一级节点向所述本级节点发送延迟响应报文，并记录发送时间的第三间戳，其中，所述延迟响应报文包含所述第二时间戳；
所述本级节点接收所述延迟响应报文，获取所述第二时间戳，并记录接收时间的第四时间戳；
所述上一级节点向所述本级节点发送延迟响应跟随报文，其中所述延迟响应跟随报文包含有所述第三时间戳；
所述本级节点接收所述延迟响应跟随报文，获取所述第三时间戳；
通过公式计算所述上一级节点到所述本级节点的链路延时。
6.根据权利要求5所述的时钟同步***，其特征在于，所述链路延时满足：
其中，link_delay为所述上一级节点从设备到所述本级节点从设备的链路延时，t1为所述第一时间戳，t2为所述第二时间戳，t3为所述第三时间戳，t4为所述第四时间戳。
7.根据权利要求4所述的时钟同步***，其特征在于，所述时间差模块具体用于：
通过所述上一级节点向所述本级节点发送同步报文，并记录第五时间戳；其中，所述第五时间戳为所述同步报文的发送时间点；
通过所述上一级节点向所述本级节点发送跟随报文，其中所述跟随报文包含所述第五时间戳；
通过所述本级节点接收所述同步报文，并记录第六时间戳；其中，所述第六时间戳为所述同步报文接收时间点；
通过所述本级节点接收所述跟随报文；
根据所述第五时间戳和所述第六时间戳计算所述上一级节点到所述本级节点的时间差。
8.根据权利要求7所述的同步***，其特征在于，所述时间差满足：
D＝link_delay+t6-t5
其中，link_delay为所述上一级节点到所述本级节点的链路延时，D为所述上一级节点到所述本级节点的时间差，t5为第五时间戳，t6为第六时间戳。
9.根据权利要求1所述的同步***，其特征在于，所述分布式网络时钟同步***的时钟同步为周期性运行。
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